电子纸用柔性薄膜晶体管的研究进展

高执文，许 伟，姚日晖，魏小琴，钟锦耀，杨跃鑫，符 晓，刘泰江，宁洪龙*，彭俊彪

（1.华南理工大学 材料科学与工程学院 发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州 510640；2.中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039）

1 引言

柔性显示器因其超薄、轻便、耐用和舒适的特性有望成为下一代显示器。在众多柔性显示器中，可弯曲、形态多样的电子纸显示器凭借独特的优势脱颖而出，引起研究人员的关注。电子纸是一种类纸显示器，重量轻、便于携带，利用反射环境光进行显示，环境光越强，显示器亮度越高，具备独特的强光可读性，不易产生视觉疲劳，具有超高对比度、宽视角等优良显示特性［1-3］。此外，电子纸显示器电池使用寿命更长，静态图像功耗也更低，是一款耐用且节能的新型绿色电子产品，更符合当代消费者需求［4］。

电子纸显示器依照显示原理有多种分类，常见的有电泳式［5-6］和电润湿式［7-9］。前者利用带电粒子的电泳原理，即两种异性带电粒子在电场的驱动下，运动到显示器的两极，使得透明电极的一侧显示出一种带电粒子的色彩。而没有电场作用时，带电粒子悬停于液体中保持不动。该特性称为双稳态特性，电泳显示器也因此具有低功耗特性，因为只有在需要切换图像时消耗电能。后者借助控制电压来控制被包围的液体的表层，通过液体张力的变化，导致像素的变化。采用电湿润技术制造的电子纸像素转换非常迅速，同时具有结构简单、省电、可用于柔性显示等特点，其亮度和对比度远超过现有的其他电子纸显示技术。

显示器像素的驱动方式通常有无源选址驱动（Passive Matrix，PM）和有源选址驱动（Active Matrix，AM）两种。如采用无源矩阵驱动，需要较复杂的外围设计，故柔性化较难；而有源矩阵驱动的外围较简单且阵列性能较高，因此柔性电子纸显示器通常采用有源驱动方式。在这种驱动方式中，薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）作为像素的开关元器件，其性能十分重要［10］。首先也是最重要的是其应具有优良的柔性，这要求在制备过程中应避免高温工艺，以与柔性基板兼容。其次，在电子纸的使用过程中，弯曲带来的机械应力和电子纸更新内容时产生的电应力都会对器件产生影响，这就要求TFT器件具有优秀的稳定性和耐久性，在重复机械应力和电应力下仍能稳定工作。在显示器驱动背板的TFT 阵列中，TFT 还应当具有优良的均匀性以保证显示器能够正常工作。对于利用反射光的电子纸显示器来说，光路中的遮光部分如TFT 结构会对最终产品的显示效果有着不利影响［11］，因此TFT 的光学透明性也非常重要。

因此，介绍柔性TFT 驱动背板的研究进展是一项非常有意义的工作。电子纸显示器中主要的TFT 按有源层材料可分为3 种：有机薄膜晶体管（Organic Thin Film Transistor，OTFT）、非晶硅薄膜晶体管（Amorphous Silicon Thin Film Transistor，a-Si TFT）、金属氧化物薄膜晶体管（Metal Oxide Thin Film Transistor，MOTFT）。有机薄膜晶体管迁移率通常为0.1～10 cm2·V-1·s-1，制造成本和工艺复杂度偏高，工艺温度为室温至250 ℃；非晶硅薄膜晶体管迁移率一般为0.5～1 cm2·V-1·s-1，制造成本和工艺复杂度均相对较低，但工艺温度一般较高，为250～350 ℃；金属氧化物薄膜晶体管的迁移率一般高达10～100 cm2·V-1·s-1，工艺复杂度低，工艺温度为室温至350 ℃。本文从柔性、性能均匀性、稳定性、电性能等多方面详细介绍了它们在电子纸显示器中的研究进展，最后进行了对比总结，提出MOTFT 凭借其独有的高迁移率、低加工温度以及独特的透明性可能在未来成为电子纸显示器驱动柔性背板的最佳选择。

2 OTFT 在电子纸显示器中的应用

2004 年，Gelinck 等人展示了一款25 μm 厚聚酰亚胺（PI）上柔性并五苯TFT 驱动的单色电泳显示器（Electrophoretic display，EPD）。在TFT背板制造完成后，层压一层电子墨水（E-ink）层以用作显示器的前板，其曲率半径可低至1 cm 而不显著降低性能，具体见图1［12］。

图1 PI 基板上OTFT 驱动的电子纸显示器。（a）一个像素的横截面；（b）电泳显示器弯曲到一个约1 cm 的曲率半径［12］。Fig.1 Electronic paper display driven by OTFT on PI substrate.（a）Cross-section of one pixel；（b）Electrophoretic display bent to a curvature radius of about 1 cm［12］.

2006 年，Burns 等人在125 μm 厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基板上制备使用聚芴聚合物半导体有源层的OTFT 有源驱动背板，并层压电子墨水成像膜制造了一款电子纸显示器［13］。器件迁移率为0.03 cm2·V-1·s-1，开关电流比为105～106，输出特性如图2（a）所示。在含4 800 个器件的阵列中测试了100 个TFT 的开关电流比的变化，结果如图2（b）所示，阵列的像素良率高于99%，TFT 的开关电流比的变化小于10%，说明器件具有很好的均匀性。

图2 TFT 性能。（a）PET 上TFT 的输出特性（L=10 μm，W=240 μm）；（b）60×80 有源矩阵阵列上100 个TFT 通断电流的均匀性［14］。Fig.2 TFT performance.（a）Output characteristics of TFT on PET（L=10 μm，W=240 μm）；（b）Uniformity of 100 TFT ON and OFF currents across a 60× 80 active-matrix array［14］.

Burns 等人还测定了TFT 器件承受机械应力和电应力的稳定性。柔性显示器可以弯曲到5 mm 的曲率半径而不显著降低器件性能，具体如图3 所示；并且在3 000 万次脉冲测试后（相当于600 行电子纸显示器中的50 万次刷新）器件仍然没有明显的性能下降。

图3 （a）柔性显示器弯曲至5 mm 曲率半径时运行的照片；（b）弯曲至5 mm 曲率半径前后的TFT 性能［14］。Fig.3 （a）Photograph of flexible display in operation while being bent to a radius of curvature of 5 mm；（b）TFT performance before and after flexing to a radius of curvature of 5 mm［14］.

同年，Moriya 等人同样使用基于聚芴聚合物（F8T2）半导体TFT开发了一款60.96 mm（2.4 in）的驱动背板用于制作微胶囊电泳显示器，其创新点在于整个显示器制作过程中的工艺温度极低，最高温度仅有约80 ℃［15］。在-40 V 的栅极偏压下，器件场效应迁移率为0.002 cm2·V-1·s-1，0 V和-40 V 之间的开关电流比为2×106，适度卷曲或暴露于空气中1 500 h 都不会影响器件开关比等性能，具有可靠的稳定性，具体如图4 所示。

图4 （a）聚合物薄膜晶体管的转移特性；（b）开态电流和关态电流随暴露在空气中的时间的变化［15］。Fig.4 （a）Transfer characteristics of polymer TFT；（b）Change of the on-current and off-current as function of exposure time to air［15］.

两年后，Kim 等人在200 μm 厚的聚醚砜（PES）基板上制备了TIPS 并五苯OTFT，迁移率为0.06 cm2·V-·1s-1，并成功驱动电子纸显示器［16］。相似的研究还有同年Lee 等人报道的在200 μm 厚的聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）基板上制造的152.4 mm（6 in）高可靠性五苯TFT 背板［17］。器件迁移率为（0.21±0.03）cm2·V-1·s-1，电流开关比高达（3.66±2.72）×107。在152.4 mm（6 in）的阵列区域内器件性能差异不到10%，显示器在连续运行5 周的过程中器件迁移率和开关比基本保持不变，表明背板具有可靠的稳定性和耐用性。2009 年，Hu 等人在PEN 基板上制作了119.38 mm（4.7 in）OTFT-EPD，所有工艺温度均低于150 ℃［18］。OTFT 器件迁移率为0.01 cm·2V-·1s-1，开关比为5×105，亚阈值摆幅1.3 V/dec。为了测试器件的均匀性，测量了250 个OTFT 的性能，所有器件的开关比均在105之上，迁移率的变化范围为±0.002 cm·2V-·1s-1，表明基板上的OTFTs具备优良的均匀性，具体如图5所示。此外，OTFT-EPD在商业界也已经有一些代表产品，如Plastic Logic Ltd（PLL）公司于2010 年推出的商务专用电子阅读器产品QUE，便搭载了OTFT 有源驱动背板［10］。

图5 （a）从250 个聚合物OTFT 测得的开态电流、关态电流和开关比特性；（b）从250 个聚合物OTFTs 测量的阈值电压和迁移率变化［18］。Fig.5 （a）On current，off current，and on/off ratio characteristics measured from 250 polymer OTFTs；（b）Threshold voltage and mobility variation measured from 250 polymer OTFTs［18］.

2011 年，Feng 等人对比分析了OTFT 的 两种结构：顶栅底接触（Bottom-contact top gate，BCTG）式和底栅底接触（Bottom-contact bottom gate，BCBG）式［19］。通过改变像素电极和OTFT之间的层间电介质（Interlayer dielectric，ILD）厚度，绘制出两种结构的模拟转移特性曲线，具体如图6 所示。从图6 中可以看出，对于BCBG OTFT，像素电极的存在会导致转移特性曲线随漏极偏压增加向着正方向移动，且偏移的幅度随着tILD（Thickness of ILD）的增加 而减小；而BCTG OTFT 的转移特性则不受像素电极的影响，这得益于顶栅结构对沟道的电屏蔽作用。

图6 BCBG 结构（a）和BCTG 结构（b）中OTFT 的模拟转移特性［19］Fig.6 Simulated transfer characteristics of the OTFTs in BCBG structure（a）and BCTG structure（b）［19］

他们还给出栅漏寄生电容Cgd随Vgd的变化曲线，可以看出，BCBG 结构的Cgd整体小于BCTG 结构，这是由于后者的像素电极与栅极电极之间会形成附加电容，可以通过增加ILD 厚度降低Cgd，具体如图7 所示。

图7 模拟栅漏寄生电容（Cgd）作为Vgd的函数。（a）BCBG 结构；（b）BCTG 结构［19］。Fig.7 Simulated gate drain parasitic capacitance（Cgd）as a function of Vgd.（a）BCBG structure；（b）BCTG structure［19］.

因此，当采用OTFT 作为电子纸显示器的开关时，需针对不同结构做出改良措施：BCTG OTFT 需针对更大的寄生电容Cgd设计更厚的ILD 层缓解，无需考虑像素电极干扰；而对于BCBG OTFT，Cgd要小得多，但设计时需要更宽的栅极电压摆幅来补偿转移特性的偏移。2014 年，Park 等人展示了88.9 mm（3.5 in）具有良好弯曲性的OTFT-EPD［20］。OTFT 器件制备工艺温度低于140 ℃，并在曲率半径为4 mm 的100 000 次极端循环弯曲应力下保持稳定的电性能，表现出优异的柔性。这一研究结果为我们展示了溶液处理OTFT 在柔性电子元件中的巨大应用潜力。一年后，在之前研究的基础上，Park 等人继续从工业适用性的角度详细介绍了OTFT 背板的制备工艺，将柔性电泳显示器的尺寸扩展到152.4 mm（6 in）［20］。2021 年，Facchetti 等人报告了高性能OTFTs 的规模化生产，使用Flexterra OTFT 技术制作出了172.72 mm（6.8 in）英寸的柔性出色且稳定耐用的EPD［21］，为OTFT 背板的大规模制备提供了新思路。

有机半导体（Organic semiconductor）凭借其固有的柔性和较低的沉积温度，为柔性有源驱动背板的制造提供了一条途径。

3 a-Si TFT 在电子纸显示器中的应用

Kim等人的研究小组在a-Si TFT-EPD研究领域做出了重要贡献。2007年，他们使用a-Si TFT开发了一款355.6 mm（14 in）的柔性彩色电子纸，成品具有真正的纸质外观，十分灵活，且具有宽视角和高对比度［22］。3年后，在之前的研究基础上，他们又对比分析了U 型双TFT 和双栅TFT 两种新型结构的TFT 的性能，结果如图8所示［23］。由图8可知，U 型双TFT有更高的迁移率和电流开关比，而双栅TFT在亚阈值摆幅（S因子）和关态电流特性上有更优的表现。但由于U 型双TFT 的非对称结构降低了TFT栅极和源极之间的寄生电容，因此使用U型双TFT结构更优，以提高充电率和电压保持率。最终他们在低于150 ℃的低工艺温度下开发出a-S∶iH TFT背板并用于电子纸显示器中，生产出外观像纸一样薄且功耗极低的柔性彩色电子纸显示器，并将面板尺寸扩展到363.22 mm（14.3 in）。

图8 金属箔上U 型双TFT（a）和双栅TFT（b）的转移曲线［23］Fig.8 Transfer curves of U-type dual TFT（a）and dualgate TFT（b）on a metal foil［23］

他们还沿用U 型双TFT 结构，成功在不锈钢基板上制造出更大尺寸（约482.6 mm（19.in））的a-Si TFT 柔性电子纸显示器［24］。制得的器件迁移率为0.35 cm2·V-1·s-1，亚阈值 摆幅为0.69 V/dec，转移特性如图9 所示。使用所谓的“单板工艺”解决了不锈钢基板上制造大尺寸电子纸显示器的柔性工艺问题，并在制造过程中采用门面板（Gate in Panel，GIP）技术，减少TFT 所需驱动芯片的数量，并提高了显示模块的柔性。但由于200 ℃以下制造的a-Si TFT 在偏压温度应力下表现出相当差的稳定性，因此不得不将工艺温度提高到250 ℃以获得可靠的TFT 背板。

图9 250 ℃不锈钢衬底上制备的a-Si∶H TFT 的初始（灰色曲线）、热处理（蓝色曲线）和偏压温度应力（红色曲线）特性［24］。Fig.9 Initial（Gray curves），heat treatment（Blue curves），and bias-temperature stress（Red curves）characteristics of a-Si∶H TFTs fabricated on stainless steel substrate at 250 ℃［24］.

2011年，Akamatsu等人展示了一款337.82 mm（13.3 in）的柔性彩色a-Si TFT-EPD［25］。在玻璃基板上层压塑料薄膜，并在其上开发出a-Si TFT 阵列，整个工艺过程温度保持在180 ℃以下。测试了a-Si TFT背板的环境稳定性和机械稳定性，结果如图10 所示，表明该背板在EPD 长期运行下器件十分可靠，且有出色的柔性和机械稳定性。

图10 （a）在85 °C 和相对湿度为85%的环境试验前后，非晶硅TFT 在塑料薄膜上的转移特性；（b）在r=5 mm 的情况下，在10 万次弯曲试验前后测量的像素TFT 的转移特性［25］。Fig.10 （a）Transfer characteristics of an a-Si TFT on a plastic film before and after an environmental test at 85 ℃ and relative humidity of 85%；（b）Transfer characteristics of pixel TFT measured before and after 100 000 times bending test with r=5 mm［25］.

在电子纸显示器中，使用n 沟道型TFT 传输高电压有一定困难，在选择高电压到像素电极的过程中也会出现电压的损失。为此，Moon等人使用a-Si TFT 开发了一种电子纸驱动电路，不需要高压电源，简化了电路，并且加入自举电路的设计以克服传输高电压过程中的电压损失［26］。

对于a-Si TFT 而言，在电子纸中的应用仍受到低迁移率和工艺温度的阻碍。

4 MOTFT 在电子纸显示器中的应用

与传统的a-Si TFT 相比，MOTFT 迁移率一般大一个数量级以上，亚阈值电压摆幅要小数倍，且在电偏压下有更好的稳定性。对于柔性塑料衬底而言，即使在室温下制造MOTFT 也可以取得令人满意的性能，而a-Si 往往需要提高工艺温度来提高器件性能指标。在电子纸显示器中，光路中的障碍物，如TFT，以及TFT 的镜面反射都会对显示器产品的反射率造成不利影响，影响显示质量［11］。而非晶氧化物半导体独有的透明性，更提高了其在电子纸显示器中的应用潜力。

2005 年，Toppan Printing 公司推出了一款使用a-IGZO TFT 的黑白电子纸［27］。第二年，他们又开发了一种全彩电子纸，采用了一种新颖的“前驱动”结构，其中滤色器阵列和TFT 阵列利用a-IGZO TFT 的高透明度集成在前平面中。在这种结构中，滤色器和TFT 高度对齐，具体如图11 所示［28］。

图11 （a）传统彩色电子纸的结构；（b）新颖的“前驱动”结构［28］。Fig.11 （a）Structure of conventional color electronic paper；（b）Novel“front drive”structure［28］.

他们测量了每个子像素（R，G，B，W）在有透明TFT 和无透明TFT 下的透射光谱，以评估a-IGZO TFT 的透明性能，具体结果如图12 所示。尽管观察到透射率略有降低，但每个带有透明TFT 的亚像素的透射率光谱都显示出超过80%的透射率，表明全透明氧化物TFT 阵列的存在并未对电子纸显示器的显示质量产生大的影响。器件的电学性能也十分优异，具有6.1 cm2·V-1·s-1的迁移率，低于10-10A 的关态电流和超过10-6的开关比。

图12 有透明TFT 和无透明TFT 时每个子像素的透射光谱［28］Fig.12 Transmission spectra of each subpixel with and without transparent TFT［28］

2008 年，他们沿用前驱动结构，探究非晶氧化物TFT 制作更高分辨率电子纸显示器的可行性，最终将分辨率从原来的120×160 提高到640×480。a-IGZO TFT 的退火温度也从原来的200 ℃略微降低到180 ℃，而所有膜层的制备都是在室温下进行的，实现了超过107的高开关比和2.8 cm2·V-1·s-1的场效应迁移率，转移特性如图13 所示［29］。

图13 a-IGZO TFT 的转移特性［29］Fig.13 Transfer characteristics of a-IGZO TFT［29］

2010 年，Lee 等人展示了一款彩色ZnO TFTEPD，背板透明性良好，透射率约为80%，器件迁移率为4.6 cm·2V-·1s-1，亚阈值摆幅为0.23 V/dec，关态电流小于10-13A，开关电流比约为108，转移特性曲线如图14所示［30］。从电子纸低成本制造的角度考虑，ZnO是EPD背板材料的一个很好的选择。

图14 AM-EPD 中ZnO TFT 的转移特性［30］Fig.14 Transfer characteristics of ZnO TFT in the AMEPD［30］

2011 年，Kaftanoglu 等人在低温（200 ℃）下开发了一款可用于电子纸驱动的氧化铟锌（IZO）TFT 驱动背板［31］。器件饱和迁移率为14.2 cm2·V-1·s-1，亚阈值摆幅为0.22 V/dec，开关比大于109。他们做了大量的应力测试，在10 000 s 直流应力作用后，IZO TFT 的阈值电压变化在2.5 V 范围内，饱和电流变化约为19%；而a-Si∶H TFT 的变化高达10 V，饱和电流变化为71%。这些结果都表明IZO TFT 器件具有更好的电压应力稳定性。2015 年，Fukada 等人首次成功制作了全丝网印刷IZO TFT 背板，为氧化物TFT 驱动背板的大面积、低成本制备提供了更多方案选择［32］。

除了用作像素开关，MOTFT 还被用作与电子纸相关的其他电路中，如Schimpf等人在2017年使用IGZO-TFT 工艺开发出的柔性基板上的Dickson 电荷泵，用于提供足够的电压来快速更新电子纸的内容［34］。器件具有10 cm2·V-1·s-1的场效应迁移率、0.18 V/dec 的亚阈值斜率、2.7 V 的阈值电压和大约109的开关比，其特性如图15所示。

图15 （a）转移特性曲线，在无栅极偏置应力的情况下测量10 次；（b）输出特性曲线［33］。Fig.15 （a）Transfer characteristic curves，measured 10 times without gate bias stress；（b）Output characteristic curves［33］.

5 总结与展望

本文按照薄膜晶体管有源层材料分类，介绍了有机薄膜晶体管、非晶硅薄膜晶体管以及金属氧化物薄膜晶体管在电子纸显示器中的应用。尽管有机薄膜晶体管的柔性十分出色，但目前量产尚未实现，故其很难在柔性电子纸显示器中实际应用；a-Si 薄膜晶体管成本较低，但因迁移率较低，故在高性能柔性电子纸中应用受限；相比之下，金属氧化物薄膜晶体管具有透明、高迁移率和已量产等优点，符合柔性电子纸显示器朝高性能化方向发展的要求。

近年来，电子纸显示器中的TFT 背板广受研究人员关注，有研究者通过优化算法来降低TFT 驱动背板的电流以实现EPD 的低功耗［34］。也有研究者在TFT 阵列中集成特殊结构，以解决电子纸显示器手写与护目显示的问题［35］。但电子纸显示器的显示体验要想在未来追上液晶显示，还需要降低功耗，提高屏幕刷新率、柔性和全尺寸范畴的高性价比等技术指标。对于有机TFT 和a-Si TFT 来说，要想在未来电子纸显示器中有更进一步的应用，应当注重提高器件场效应迁移率和开关比，以适应电子纸显示器更高刷新率和分辨率的需求。而金属氧化物TFT 性能易受水、氧等环境因素影响，在未来应致力开发提高器件稳定性的方法。由于氧空位的存在使得氧化物半导体趋于n 型施主缺陷掺杂，难以获得p 型导电特性。而p 型氧化物TFT 的开发将推动n 型和p 型器件的互补技术，这对于实现电子纸的低功耗驱动电路具有重要意义。我们相信随着越来越多的研究人员投入到面向柔性电子纸显示器的薄膜晶体管的深入的研究中去，在不久的将来其制备方法和器件性能都会得到更进一步的提升，我们也相信性能出众的金属氧化物薄膜晶体管有潜力成为制备大面积、低成本、低功耗的电子纸显示器驱动背板的最佳选择。